الأحد، 3 أبريل 2016

Static electricity



Static electricity

Static electricity is an imbalance of electric charges within or on the surface of a material. The charge remains until it is able to move away by means of an electric current or electrical discharge. Static electricity is named in contrast with current electricity, which flows through wires or other conductors and transmits energy.[1]
A static electric charge is created whenever two surfaces contact and separate, and at least one of the surfaces has a high resistance to electric current (and is therefore an electrical insulator). The effects of static electricity are familiar to most people because people can feel, hear, and even see the spark as the excess charge is neutralized when brought close to a large electrical conductor (for example, a path to ground), or a region with an excess charge of the opposite polarity (positive or negative). The familiar phenomenon of a static shock–more specifically, an electrostatic discharge–is caused by the neutralization of charge.

Causes of static electricity

Materials are made of atoms that are normally electrically neutral because they contain equal numbers of positive charges (protons in their nuclei) and negative charges (electrons in "shells" surrounding the nucleus). The phenomenon of static electricity requires a separation of positive and negative charges. When two materials are in contact, electrons may move from one material to the other, which leaves an excess of positive charge on one material, and an equal negative charge on the other. When the materials are separated they retain this charge imbalance.
Contact-induced charge separation
Main article: Triboelectric effect
Electrons can be exchanged between materials on contact; materials with weakly bound electrons tend to lose them while materials with sparsely filled outer shells tend to gain them. This is known as the triboelectric effectand results in one material becoming positively charged and the other negatively charged. The polarity and strength of the charge on a material once they are separated depends on their relative positions in thetriboelectric series. The triboelectric effect is the main cause of static electricity as observed in everyday life, and in common high-school science demonstrations involving rubbing different materials together (e.g., fur against an acrylic rod). Contact-induced charge separation causes your hair to stand up and causes "static cling" (for example, a balloon rubbed against the hair becomes negatively charged; when near a wall, the charged balloon is attracted to positively charged particles in the wall, and can "cling" to it, appearing to be suspended against gravity).
Pressure-induced charge separation
Main article: Piezoelectric effect
Applied mechanical stress generates a separation of charge in certain types of crystals and ceramics molecules.
Heat-induced charge separation
Main article: Pyroelectric effect
Heating generates a separation of charge in the atoms or molecules of certain materials. All pyroelectric materials are also piezoelectric. The atomic or molecular properties of heat and pressure response are closely related.
Charge-induced charge separation
Main article: Electrostatic induction
A charged object brought close to an electrically neutral object causes a separation of charge within the neutral object. Charges of the same polarity are repelled and charges of the opposite polarity are attracted. As the force due to the interaction of electric charges falls off rapidly with increasing distance, the effect of the closer (opposite polarity) charges is greater and the two objects feel a force of attraction. The effect is most pronounced when the neutral object is an electrical conductor as the charges are more free to move around. Careful grounding of part of an object with a charge-induced charge separation can permanently add or remove electrons, leaving the object with a global, permanent charge. This process is integral to the workings of the Van de Graaff generator, a device commonly used to demonstrate the effects of static electricity.

Removal and prevention of static electricity

Main articles: Antistatic agent and Antistatic device
Removing or preventing a buildup of static charge can be as simple as opening a window or using a humidifier to increase the moisture content of the air, making the atmosphere more conductive. Air ionizers can perform the same task.[2]
Items that are particularly sensitive to static discharge may be treated with the application of an antistatic agent, which adds a conducting surface layer that ensures any excess charge is evenly distributed. Fabric softeners and dryer sheets used in washing machinesand clothes dryers are an example of an antistatic agent used to prevent and remove static cling.[3]
Many semiconductor devices used in electronics are particularly sensitive to static discharge. Conductive antistatic bags are commonly used to protect such components. People who work on circuits that contain these devices often ground themselves with a conductive antistatic strap.[4][5]
In the industrial settings such as paint or flour plants as well as in hospitals, antistatic safety boots are sometimes used to prevent a buildup of static charge due to contact with the floor. These shoes have soles with good conductivity. Anti-static shoes should not be confused with insulating shoes, which provide exactly the opposite benefit  – some protection against serious electric shocks from the mains voltage.[6]
network card inside an antistatic bag.

Static discharge

The spark associated with static electricity is caused by electrostatic discharge, or simply static discharge, as excess charge is neutralized by a flow of charges from or to the surroundings.
The feeling of an electric shock is caused by the stimulation of nerves as the neutralizing current flows through the human body. The energy stored as static electricity on an object varies depending on the size of the object and its capacitance, the voltage to which it is charged, and the dielectric constant of the surrounding medium. For modelling the effect of static discharge on sensitive electronic devices, a human being is represented as a capacitor of 100 picofarads, charged to a voltage of 4000 to 35000 volts. When touching an object this energy is discharged in less than a microsecond.[7] While the total energy is small, on the order of millijoules, it can still damage sensitive electronic devices. Larger objects will store more energy, which may be directly hazardous to human contact or which may give a spark that can ignite flammable gas or dust.

Lightning

Natural static discharge
Main article: Lightning
Lightning is a dramatic natural example of static discharge. While the details are unclear and remain a subject of debate, the initial charge separation is thought to be associated with contact between ice particles within storm clouds. In general, significant charge accumulations can only persist in regions of low electrical conductivity (very few charges free to move in the surroundings), hence the flow of neutralizing charges often results from neutral atoms and molecules in the air being torn apart to form separate positive and negative charges, which travel in opposite directions as an electric current, neutralizing the original accumulation of charge. The static charge in air typically breaks down in this way at around 10,000 volts per centimeter (10 kV/cm) depending on humidity.[8] The discharge superheats the surrounding air causing the bright flash, and produces a shock wave causing the clicking sound. The lightning bolt is simply a scaled-up version of the sparks seen in more domestic occurrences of static discharge. The flash occurs because the air in the discharge channel is heated to such a high temperature that it emits light by incandescence. The clap of thunder is the result of the shock wave created as the superheated air expands explosively.

Electronic components

Many semiconductor devices used in electronics are very sensitive to the presence of static electricity and can be damaged by a static discharge. The use of an antistatic strap is mandatory for researchers manipulating nanodevices. Further precautions can be taken by taking off shoes with thick rubber soles and permanently staying with a metallic ground.

Static build-up in flowing flammable and ignitable materials

Discharge of static electricity can create severe hazards in those industries dealing with flammable substances, where a small electrical spark might ignite explosive mixtures.[9]
The flowing movement of finely powdered substances or low conductivity fluids in pipes or through mechanical agitation can build up static electricity.[10] The flow of granules of material like sand down a plastic chute can transfer charge, which can be easily measured using a multimeter connected to metal foil lining the chute at intervals, and can be roughly proportional to particulate flow.[11] Dust clouds of finely powdered substances can become combustible or explosive. When there is a static discharge in a dust or vapor cloud, explosions have occurred. Among the major industrial incidents that have occurred are: a grain silo in southwest France, a paint plant in Thailand, a factory making fiberglass moldings in Canada, a storage tank explosion in Glenpool, Oklahoma in 2003, and a portable tank filling operation and a tank farm in Des Moines, Iowa and Valley Center, Kansas in 2007.[12][13][14]
The ability of a fluid to retain an electrostatic charge depends on its electrical conductivity. When low conductivity fluids flow through pipelines or are mechanically agitated, contact-induced charge separation called flow electrification occurs.[15] Fluids that have low electrical conductivity (below 50 picosiemens per meter), are called accumulators. Fluids having conductivities above 50 pS/m are called non-accumulators. In non-accumulators, charges recombine as fast as they are separated and hence electrostatic charge accumulation is not significant. In the petrochemical industry, 50 pS/m is the recommended minimum value of electrical conductivity for adequate removal of charge from a fluid.
Kerosines may have conductivity ranging from less than 1 picosiemens per meter to 20 pS/m. For comparison, deionized water has a conductivity of about 10,000,000 pS/m or 10 µS/m.[16]
Transformer oil is part of the electrical insulation system of large power transformers and other electrical apparatus. Re-filling of large apparatus requires precautions against electrostatic charging of the fluid, which may damage sensitive transformer insulation.
An important concept for insulating fluids is the static relaxation time. This is similar to the time constant τ (tau) within an RC circuit. For insulating materials, it is the ratio of the static dielectric constant divided by the electrical conductivity of the material. For hydrocarbon fluids, this is sometimes approximated by dividing the number 18 by the electrical conductivity of the fluid. Thus a fluid that has an electrical conductivity of 1 pS/m has an estimated relaxation time of about 18 seconds. The excess charge in a fluid dissipates almost completely after four to five times the relaxation time, or 90 seconds for the fluid in the above example.
Charge generation increases at higher fluid velocities and larger pipe diameters, becoming quite significant in pipes 8 inches (200 mm) or larger. Static charge generation in these systems is best controlled by limiting fluid velocity. The British standard BS PD CLC/TR 50404:2003 (formerly BS-5958-Part 2) Code of Practice for Control of Undesirable Static Electricity prescribes pipe flow velocity limits. Because water content has a large impact on the fluids dielectric constant, the recommended velocity for hydrocarbon fluids containing water should be limited to 1 meter per second.
Bonding and earthing are the usual ways charge buildup can be prevented. For fluids with electrical conductivity below 10 pS/m, bonding and earthing are not adequate for charge dissipation, and anti-static additives may be required.[citation needed]

Fueling operations

The flowing movement of flammable liquids like gasoline inside a pipe can build up static electricity. Non-polar liquids such as gasolinetoluenexylenedieselkerosene and light crude oils exhibit significant ability for charge accumulation and charge retention during high velocity flow. Electrostatic discharges can ignite the fuel vapor.[17] When the electrostatic discharge energy is high enough, it can ignite a fuel vapor and air mixture. Different fuels have different flammable limits and require different levels of electrostatic discharge energy to ignite.
Electrostatic discharge while fueling with gasoline is a present danger at gas stations.[18] Fires have also been started at airports while refueling aircraft with kerosene. New grounding technologies, the use of conducting materials, and the addition of anti-static additives help to prevent or safely dissipate the buildup of static electricity.
The flowing movement of gases in pipes alone creates little, if any, static electricity.[19] It is envisaged that a charge generation mechanism only occurs when solid particles or liquid droplets are carried in the gas stream.

Static discharge in space exploration

Due to the extremely low humidity in extraterrestrial environments, very large static charges can accumulate, causing a major hazard for the complex electronics used in space exploration vehicles. Static electricity is thought to be a particular hazard for astronauts onplanned missions to the Moon and Mars. Walking over the extremely dry terrain could cause them to accumulate a significant amount of charge; reaching out to open the airlock on their return could cause a large static discharge, potentially damaging sensitive electronics.[20]

Ozone cracking

Ozone cracking in natural rubber tubing
A static discharge in the presence of air or oxygen can create ozone. Ozone can degrade rubber parts. Many elastomers are sensitive to ozone cracking. Exposure to ozone creates deep penetrative cracks in critical components like gaskets and O-ringsFuel lines are also susceptible to the problem unless preventive action is taken. Preventive measures include adding anti-ozonants to the rubber mix, or using an ozone-resistant elastomer. Fires from cracked fuel lines have been a problem on vehicles, especially in the engine compartments where ozone can be produced by electrical equipment.

Energies involved

The energy released in a static electricity discharge may vary over a wide range. The energy in joules can be calculated from the capacitance (C) of the object and the static potential V in volts (V) by the formula E = ½CV2.[21] One experimenter estimates the capacitance of the human body as high as 400 picofarads, and a charge of 50,000 volts, discharged e.g. during touching a charged car, creating a spark with energy of 500 millijoules.[22] Another estimate is 100–300 pF and 20,000 volts, producing a maximum energy of 60 mJ.[23] IEC 479-2:1987 states that a discharge with energy greater than 5000 mJ is a direct serious risk to human health. IEC 60065 states that consumer products cannot discharge more than 350 mJ into a person.
The maximum potential is limited to about 35–40 kV, due to corona discharge dissipating the charge at higher potentials. Potentials below 3000 volts are not typically detectable by humans. Maximum potential commonly achieved on human body range between 1 and 10 kV, though in optimal conditions as high as 20–25 kV can be reached. Low relative humidity increases the charge buildup; walking 20 feet (6.1 m) on vinyl floor at 15% relative humidity causes buildup of voltage up to 12 kilovolts, while at 80% humidity the voltage is only 1.5 kV.[24]
As little as 0.2 millijoules may present an ignition hazard; such low spark energy is often below the threshold of human visual and auditory perception.
Typical ignition energies are:
  • 0.017 mJ for hydrogen
  • 0.2-2 mJ for hydrocarbon vapors
  • 1–50 mJ for fine flammable dust
  • 40–1000 mJ for coarse flammable dust.
The energy needed to damage most electronic devices[specify] is between 2 and 1000 nanojoules.[25]
A relatively small energy, often as little as 0.2–2 millijoules, is needed to ignite a flammable mixture of a fuel and air. For the common industrial hydrocarbon gases and solvents, the minimum ignition energy required for ignition of vapor-air mixture is lowest for the vapor concentration roughly in the middle between the lower explosive limit and the upper explosive limit, and rapidly increases as the concentration deviates from this optimum to either side. Aerosols of flammable liquids may be ignited well below their flash point. Generally, liquid aerosols with particle sizes below 10 micrometers behave like vapors, particle sizes above 40 micrometers behave more like flammable dusts. Typical minimum flammable concentrations of aerosols lay between 15 and 50 g/m3. Similarly, presence of foam on the surface of a flammable liquid significantly increases ignitability. Aerosol of flammable dust can be ignited as well, resulting in a dust explosion; the lower explosive limit usually lies between 50 and 1000 g/m3; finer dusts tend to be more explosive and requiring less spark energy to set off. Simultaneous presence of flammable vapors and flammable dust can significantly decrease the ignition energy; a mere 1 vol.% of propane in air can reduce the required ignition energy of dust by 100 times. Higher than normal oxygen content in atmosphere also significantly lowers the ignition energy.[26]
There are five types of electrical discharges:
  • Spark, responsible for the majority of industrial fires and explosions where static electricity is involved. Sparks occur between objects at different electric potentials. Good grounding of all parts of the equipment and precautions against charge buildups on equipment and personnel are used as prevention measures.
  • Brush discharge occurs from a nonconductive charged surface or highly charged nonconductive liquids. The energy is limited to roughly 4 millijoules. To be hazardous, the voltage involved must be above about 20 kilovolts, the surface polarity must be negative, a flammable atmosphere must be present at the point of discharge, and the discharge energy must be sufficient for ignition. Further, because surfaces have a maximum charge density, an area of at least 100 cm2 has to be involved. This is not considered to be a hazard for dust clouds.
  • Propagating brush discharge is high in energy and dangerous. Occurs when an insulating surface of up to 8 mm thick (e.g. a teflon or glass lining of a grounded metal pipe or a reactor) is subjected to a large charge buildup between the opposite surfaces, acting as a large-area capacitor.
  • Cone discharge, also called bulking brush discharge, occurs over surfaces of charged powders with resistivity above 1010 ohms, or also deep through the powder mass. Cone discharges aren't usually observed in dust volumes below 1 m3. The energy involved depends on the grain size of the powder and the charge magnitude, and can reach up to 20 mJ. Larger dust volumes produce higher energies.
  • Corona discharge, considered non-hazardous.

الكهرباء الساكنة أو الكهرباء السكونية[1] أو الكهرباء الستاتية[1] (بالإنجليزية: static electricity)



الكهرباء الساكنة أو الكهرباء السكونية[1] أو الكهرباء الستاتية[1] (بالإنجليزية: static electricity) 
الكهرباء الساكنة أو الكهرباء السكونية[1] أو الكهرباء الستاتية[1] (بالإنجليزية: static electricity) هي فرع العلم الذي يتعامل مع ظاهرة الانجذاب الكهربائي. منذ التاريخ القديم كان معروفا أن بعض المواد تجذب الحبيبات الصغيرة بعد دلكها. كلمة إلكترون أطلقت على أجزاء كثيرة من العلم الطبيعي. ظاهرة الكهرباء الاستاتيكية جائت من القوى الكهربية التي تحدث بين الشحنات المختلفة. هذه القوى وصفها قانون كولوم. ولكن هذه القوى تعتبر قوى ضعيفة, فالقوى الكهربية بين الالكترون والبروتون, التي تجعلهم منجذبين لبعض في ذرة الهيدروجين, حوالي 40ماجنينيوت من قوة التجاذب بينهم.
تنشأ الكهرباء الساكنة بسبب تجمع الكترونات أو غيابها في منطقة ما.
صورة برق بمدينة تورنتو.
الورق ينجذب إلى القرص المضغوط المشحونة
تتمثل الكهرباء السكونية بتجمع الشحنات الكهربائية على أجسام المعدات المختلفة, وهي ظاهرة طبيعية. تكمن المشكلة في تجمع الشحنات على جسم ما للحد الذي يشكل انتقالها إلى جسم آخر حدوث شرارة كهربائية, في الطبيعة يتم تحرك وانتقال الشحنات من جسم إلى آخر بحرية لا يضبطها إلا قانون أو خاصية بسيطة وهي انتقالها من جسم إلى آخر بهدف التعادل والتوازن بين كمية الشحنات المتجمعة.
عند تحرك هذه الشحنات يحصل سريان لخطي للتيار الكهربائي, كما تحصل شرارة كهربائية عند تحرك الشحنات من موقع إلى
آخر عبر الجو، أي عندما تقفز تلك الشحنات من جسم ذو كمية عالية من الشحنات إلى الجسم الآخر ذو شحنات اقل.
يمكن ملاحظة هذه الظاهرة يوميا عند خلع الملابس المصنعة من النايلون أو البوليستر في غرفة مظلمة ليلا فسنلاحظ ظهور شرر وصوت لفرقعات بسيطة وهذا نتيجة لانتقال الشحنات الكهربائية.
كذلك يمكن ملاحظة هذه الظاهرة عند تقريب ساعدنا المشعر من شاشة التلفاز فسنلاحظ وقوف الشعر وانجذابه إلى شاشة التلفاز. وكذلك عند تمشيط شعرك في يوم جاف ستلاحظ انجذاب الشعر نحو المشط .
تشكل هذه الظاهرة مشكلة كبيرة في الصناعة والمعامل وخصوصا في الصناعة النفطية والغازية مثلا, انتقال الشحنات قد يسبب شرارة قد تكون كافية لإيقاد الغازات والأبخرة المتواجدة بالموقع.
لتجاوز مشاكل هذه الظاهرة بسيط في ظاهره وهو جعل كافة الأجسام متعادلة من حيث تجمع الشحنات عليها, فلن يكون هناك تجمع للشحنات على جسم ما يفوق ما هو متجمع على الجسم الآخر.
لذا من العادة ربط جميع الأجسام المعدنية في المعمل مع بعضها وربطها مع الأرض من خلال نظام للتأريض بهدف تفريغ كل الشحنات الكهربائية المتجمعة إلى الأرض حيث تنتقل الألكترونات من الجهد المرتفع إلى الجهد المنخفض وحتى اذا كانت حرة الحركة .
تبقى مشكلة الشحنات المتكونة في الغيوم وتفريعها في ما بينها وبين الأرض والتي تتكون نتيجه فصل الارض ( المتعادلة ) للشحنات السالبة و الموجبة مما يؤدي إلى نشأة قوة تجاذب هائلة بين السحابة و الأرض والتي كثيرا ما سببت في حرائق الغابات, أما لحماية الأسقُفْ والأبنية المرتفعة فيكون بواسطة نظم لمانعات الصواعق والتي تقوم بتسريب الشحنات والجهد الكهربائي العالي المصاحب لها للأرض.
ومن الجدير بالذكر ان الكهربائية الساكنة (الاستاتيكية) تستقر على سطوح الأجسام دائما وذلك لأن الشحنات المتولدة على الجسم تكون من نوع واحد ونتيجه لذلك تنشأ قوى تنافر فيما بينها فتحاول أن تأخذ أقصى مسافة فيما بينها فتتجه إلى الخارج. وعلى هذا الأساس لا يصاب ركاب الطائرة بالصاعقة عند مرورهم من خلال غيمه مكهربة. فتستقر الشحنات على سطح الطائرة ولا تتدخل إلى الداخل ولكن قد رجح العلماء بأن للكهرباء الساكنة وتواجدها على البشرة بشكل مباشر قد يساهم في الإصابة بسرطن الجلد . ولكن هناك العديد من الفوائد لهذة القوة حيث تحد من التلوث بسبب استطاعتها على تجميع السناج من المداخن . وكذلك تستخدم آلات التصوير الفوتوجرافي الكهرباء الساكنة لوضع الحبر الأسود على الورق .

طرق توليد الكهربائية الساكنة[عدل]

  • طريقة الدلك: ويمكن الحصول على الشحنات الكهربائية من خلال هذه الطريق. حيث مثلا نستطيع الحصول على :-
    • الشحنات الكهربائية السالبة من دلك ساق الابونايت بالفرو حيث تنفصل الالكترونات من الفرو لتذهب إلى ساق الابونايت ليصبح سالب الشحنة.
    • الشحنات الكهربائية الموجبة من دلك ساق الزجاج بالحرير حيث تنفصل الالكترونات من الزجاج لتذهب إلى الحرير فيصبح الزجاج موجب الشحنة.
  • طريقة التماس: وذلك بملامسة جسم مشحون بآخر غير مشحون فتنتقل اليه الشحنات الكهربائية من الجسم المشحون و تكون نوع شحنة الجسم الذي شحن اخيرا نفس نوع شحنة الجسم الذي شحنه(الذي تلامس معه).
  • طريقة الحث: ويكون ذلك كما في التجربة الاتية:
    • الادوات :- كرة موصلة و معزولة , سلك , جسم مشحون مسبقا (و لتكن شحنة موجبة مثلا).
    • العمل :-
      • نقرب الجسم المشحون من الكرة دون ان يلامسها فتقترب الشحنات السالبة للكرة من الجسم المشحون(تجاذب) وتبتعد الشحنات الموجبة للكرة على الجهة الثانية بعيدة عن الجسم المشحون(تنافر).
      • نصل الكرة بواسطة سلك إلى الارض (مع بقاء الجسم المؤثر) فتتفرغ الشحنة الموجبة إلى الارض و تبقى الشحنة السالبة على الكرة نتيجة التجاذب بينها و بين الشحنة السالبة للجسم المشحون مسبقا.
      • نرفع السلك عن الكرة و بعدها نبعد عنها الجسم المشحون المؤثر أيضا.
      • الكرة الآن اصبحت مشحونة بشحنة سالبة, ومن الملاحظ من طريقة توليد الكهربائية المستقرة بالحث ان الجسم الذي نريد ان نشحنه تكون شحنته مخالفة لشحنة الجسم المؤثر المشحون مسبقا.

اكتشاف ظاهرة الكهرباء الساكنة[عدل]

اكتشفت ظاهرة الكهرباء الساكنة قبل الميلاد بنحو 600 ‏سنة ، عندما أدرك اليونانيون قديما بعض الظواهر الكهربية ، فقد لاحظ الفيلسوف طاليس ( 600 ‏ ق.م ) ، أنه عند حك قطعة من الكهرمان بقطعة قماش فإنها تجذب ريش الطيور والخيوط الصوفية أو القطنية . وكان العالم الإنجليزي وليم جلبرت ( 1544 م - 1306 م ) من أوائل العلماء الذين تقصوا الظواهر الكهربائية ولاحظ أن هناك مواد أخرى تمتلك خاصية الجذب ، واشتق جلبرت تسميته لقوة الجذب المجهولة هذه من لفظة إلكترون ( اسم الكهرمان باليونانية ) فأطلق عليها Electr ، ونحن العرب حذونا حذوه باشتقاق كهرباء من كهرمان .
‏في عام 1733 ‏م ، وجد الكيميائي الفرنسي شارل أن بعض الأجسام تتجاذب عند الحك، وبعضها الآخر يتنافر، لذلك جزم شارل بأن الكهرباء سيلا من نوع ما ، وأن هنالك نوعين منها ، الأولى : تتولد عند حك الزجاج بالشعر أو الصوف ؟ والثانية : تتولد عند حك الكهرمان بالحرير؟ وأن النوعين المختلفين يتجاذبان بينما النوعان المتماثلان يتنافران .
‏كان بنجامين فرانكلين أول من اقترح فكرة الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة في القرن الثامن عشر. كما بيّن أن البرق هو انتقال شحنات كهربائية ساكنة، عن طريق تطيير طائرة ورقية في عاصفة وعدية وحصوله على شرر تفريغ كهربائي، حيث ربط مفتاحًا معدنيًا في طرف خيط طائرة ورقية وأطلقها لتحلق في الهواء أثناء عاصفة رعدية. فتسببت كهرباء السحب في رفع الجهد الكهربائي، وأدى هذا الجهد الكهربائي العالي إلى حدوث شرارة كهربائية بين المفتاح والأجسام الموجودة على سطح الأرض، مما أوضح أن السحب مُكهْربة. وقد حالفه الحظ في تلك التجربة بالنجاة من الموت ، ولكن تسببت تجربته في وقوع حوادث خطيرة إذ إن بعض الذين قاموا بإطلاق الطائرات الورقية للتحليق أثناء العواصف قد صعقهم البرق.
بين الإنجليزي ستيفن ( 1666 م – 1736 ‏ م ) أن بعض المواد توصل الكهرباء ، وبعضها الآخر لا يوصل . وقد استطاع نقل الكهرباء المتولدة من دلك أنبوب زجاجي طوله أكثر من 100 متر.

التكاثر عند النبات




التكاثر عند النبات


الهدف من هذا البحث
 أن يعرف المتعلّم كيف يتكاثر النبات جنسيا ولا جنسيا.

تتكاثر النباتات بطريقتين رئيسيتين هما: التكاثر الجنسي والتكاثر اللاجنسي. ففي التكاثر الجنسي تتكاثر النباتات عن طريق الأزهار فتوفّر البذور التي تنبت في الأرض وتعطي نباتات تنمو وتزهر وتثمر. أما في التكاثر اللاجنسي فتتكاثر النباتات عن طريق الجذور أو الجذوع أو الأوراق ويعرف هذا النوع من التكاثر بالتكاثر الخضري .

التكاثر الجنسي
يحدث التكاثر الجنسي في النباتات على شكل دورة معقدة تعرف بتبادل الأجيال، تشتمل على جيلين أو مرحلتين متميزتين. وخلال إحدى مرحلتي الدورة، يعرف النبات بالنابت المشيجي أو النبات الحامل للأمشاج. وتصعب مشاهدة الطور المشيجي في معظم الأنواع النباتية، أو نادرًا ما يلاحظه الناس. ويعطي هذا الطور الأمشاج أي الخلية المذكرة والخلية البيضية. وقد ينتج الطور أيضًا الخلايا المذكرة، أو الخلايا البيضية أو كلتيهما تبعا لنوع النبات. وعند اتحاد الخلية المذكرة مع الخلية البيضية، يتكون من البييضة المخصبة المرحلة الثانية من دورة حياة النبات. في هذه المرحلة يعرف النبات بالطور البوغي أو النبات الحامل للأبواغ. عندما يشاهد الناس نباتا فغالبا ما يكون في مرحلة الطور البوغي. ويعطي الطور البوغي خلال انقسام خلوي يعرف بالانقسام الاختزالي تراكيب متناهية الصغر تسمى الأبواغ. وتتكون الأبواغ داخل تراكيب مقفلة تشبه الكيس تسمى بالكيس البوغي (الحافظة البوغية). وينشأ الطور المشيجي عن الأبواغ وتبدأ دورة الحياة مرة أخرى.
في النباتات البذرية وهي تشمل النباتات الزهرية والنباتات حاملات المخاريط، يشتمل تبادل الأجيال على سلسلة من الخطوات المعقدة. ولا يشاهد بالعين المجردة في هذه النباتات سوى الطور البوغي فقط. وتنتج الأبواغ داخل أعضاء التكاثر المذكرة والمؤنثة للنبات. وتعطي الأبواغ الطور المشيجي الذي يبقى بداخل أعضاء التكاثر بالنبات.
في النباتات الزهرية توجد الأجزاء المسؤولة عن التكاثر في الأزهار. وتمثل الأسدية أعضاء التكاثر المذكرة بالنبات، وتحتوي كل سداة على طرف متضخم يعرف بالمِئْبَرْ (المتك). والمدقة هي عضو التكاثر المؤنث بالنبات، ويحتوي المبيض الذي يكون القاعدة الكروية للمدقة على البييضات. يتركب المئبر من تراكيب صغيرة جدا تسمى الأكياس البوغية المذكرة، كذلك تحتوي البييضات على تراكيب تسمى الأكياس البوغية المؤنثة، وتنتج الأبواغ عن انقسام الخلايا في كل من الأكياس البوغية المذكرة، والأكياس البوغية المؤنثة.
تنمو بوغة واحدة في كل بييضة في معظم أنواع النباتات الزهرية، وتعطي طوراً مشيجياً مؤنثًا دقيق الحجم. ويعطي الطور المشيجي المؤنث خلية بيضية واحدة. وتحتوي الأبواغ الموجودة بالمئبر، والتي تعرف بحبوب اللقاح على طور مشيجي مذكر دقيق الحجم. وتنتج كل حبة لقاح خليتين مذكرتين.
طريقة التكاثر في النباتات الزهرية: تتكاثر النباتات الزهرية من خلال عملية التلقيح. تبدأ هذه العملية عندما تصل إحدى حبوب اللقاح من متك السداة إلى ميسم المدقة، وينمو بعد ذلك أنبوب لقاح طويل، يشبه الشعرة من حبة اللقاح إلى إحدى البييضات بالمبيض. ثم تنتقل الأمشاج المذكرة من أنبوب اللقاح إلى البييضة. عندما يخصب مشيج خلية بيضية يبدأ تكوين البذرة.
ويتحتم انتقال حبّة اللقاح من المِئْبَرْ إلى المدقة حتى يحدث الإخصاب، ويُعرف هذا الانتقال بالتلقيح. وإذا سقطت حبة اللقاح من زهرة إلى مدقة الزهرة نفسها، أو مدقة زهرة أخرى على النبات نفسه فإن هذه العملية تُعرف بالتلقيح الذاتي. أما إذا انتقلت حبة اللقاح من زهرة إلى مدقة على نبات آخر فإن هذه العملية تُعرف بالتلقيح الخلطي (التهجيني). وتُحمل حبوب اللقاح من زهرة إلى زهرة في التلقيح الخلطي بوساطة الحيوانات، مثل الطيور، والحشرات، أو بوساطة الرياح. تمتاز النباتات الخلطية التلقيح بأنها ذات أزهار كبيرة، ورائحة طيبة، ورحيق حُلو. وتجذب هذه الخصائص كلاًّ من الخفاش، والبوسوم، والطيور كالطنان، والتُّمَيْر، وحشرات مثل النمل، والنحل، والخنافس، والفراشات والعثة. وتحمل هذه الحيوانات حبوب اللقاح على أجسامها أثناء تنقلها من زهرة إلى زهرة بحثًا عن الغذاء. وغالبية الأعشاب والأشجار، والشجيرات ذات أزهار صغيرة، وغير واضحة. وتحمل الرياح حبوب لقاح هذه النباتات. وقد تحمل الرياح حبوب اللقاح لمسافة تبعد نحو 160 كم، وتسبب بعض أنواع حبوب اللقاح المحمولة بالهواء حمى القش وغيرها من أنواع الحساسية.
الكثير من النباتات الزهرية يتلقح بوساطة النحل، وحيوانات أخرى. تتعلق حبوب اللقاح بالحيوانات التي تحملها من زهرة إلى زهرة خلال بحثها عن الغذاء
النباتات المخروطية توجد فيها الأجزاء المسؤولة عن التكاثر في المخاريط. ويحتوي النبات المخروطي على نوعين من المخاريط؛ مخروط حبوب اللقاح، أو المذكر، وهو أصغر وأرهف النوعين، وهو أيضا أبسط تركيبًا، والمخاريط البذرية، أو المؤنثة وهي أكبر، وأكثر صلابة من المخاريط المذكرة.
يضم مخروط حبوب اللقاح العديد من الأكياس البوغية المتناهية الصغر والتي تنتج حبوب اللقاح. وتحمل كل من الحراشف التي يتركب منها المخروط البذري بييضتين على سطحها. وتعطي كل بييضة بوغة مؤنثة تضم الطور المشيجي المؤنث، ويشتمل هذا النبات الدقيق على الخلايا البيضية.
تحمل الرياح حبوب اللقاح من مخروط حبوب اللقاح إلى المخروط البذري. وتلتصق حبة اللقاح بمادة لاصقة بجوار إحدى البييضات. وعادة ما تدخل حبة اللقاح إلى غرفة حبوب اللقاح بالبييضة عبر فتحة تعرف بالنقير، وعندئذ تبدأ حبة اللقاح في تكوين الأنبوبة اللقاحية، ويتكون داخل الأنبوبة خليتان مذكرتان. وعندما يصل أنبوب اللقاح إلى خلية بيضية تخصب إحدى الخليتين المذكرتين البيضة، وتضمحل الخلية المذكرة الأخرى. وتنمو البيضة المخصبة إلى جنين الطور البوغي، وتصير البيضية المحتوية على الجنين بذرة. وتسقط البذرة على الأرض، وإذا ما كانت الظروف ملائمة يبدأ الطور البوغيّ الجديد في النمو.
طريقة التكاثر في النباتات المخروطية: تتكون الأجزاء الخاصة بالتكاثر في النباتات المخروطية في مخاريط مذكرة، ومخاريط مؤنثة مستقلة. يبدأ التلقيح عندما تدخل حبوب لقاح من مخروط مذكر غرفة اللقاح لبييضة في مخروط مؤنث. وتنتقل الخلايا المذكرة خلال أنبوب اللقاح، وتخصب إحداها خلية بيضية لتعطي بذرة.
في السراخس والحزازيات يتكون جيل كلٍّ من الطور البوغي، والطور المشيجي من نباتين بينهما اختلاف كبير. يحمل الطور البوغي للسراخس أوراقاً، ويكون أكبر من الطور المشيجي بدرجة واضحة. ويتكون على حوافِّ السّطح السُّفلي لكل ورقة مجموعات من أكياس بوغية تعرف بالبثرات. وتسقط الأبواغ على الأرض عند نضجها، وتنمو إلى أطوار مشيجية قلبية الشكل، تشاهد بصعوبة. وينتج الطور المشيجي للسراخس كلا من الخلايا الجنسية المذكرة والمؤنثة. وتسبح الخلية المذكرة عند توفّر الرطوبة الكافية متجهة إلى خلية بيضية، وتتحد معها. تنمو البيضة المخصبة بعد ذلك إلى طور بوغي ناضج.
يتركب الطور البوغي للحزازيات من سويقة طويلة قائمة تنتهي بحافظة تشبه القرنة تنتج الأبواغ. ويبرز الطور البوغي في قمة طور مشيجيٍّ رهيف مُورق أخضر اللون. ويعتمد الطور البوغي على الطور المشيجي في الحصول على الغذاء والماء. ويمثل الطور المشيجي جزءًا من المجتمع النباتي المعروف بالحزازيات.
طرق تكاثر السراخس: تتكاثرالسراخس بوساطة كل من الأبواغ والخلايا الجنسية. تتكون الأبواغ على أوراق النبات السرخسي والذي يسمى النبات البوغي. تنمو البوغة إلى نبات صغير يعرف بالطور المشيجي الذي يعطي بدوره خلايا جنسية مذكرة، ومؤنثة تتحد وتكون طورًا بوغيًا آخر.

التكاثر اللاجنسي أو التكاثر الخضري
يمكن للنباتات أن تتزايد بدون التكاثر الجنسي، فخلال التكاثر الخضري يمكن لجزء من النبات أن ينمو إلى نبات كامل جديد. يحدث التكاثر الخضري حيث تستطيع أجزاء النبات أن تكوّن أجزاء غير موجودة، خلال عملية تُعرف بالتجدد. ويمكن لأي عضو من النبات سواء أ كان جذرًا، أو ساقًا، أو ورقة، أو زهرة أن يتكاثر إلى نبات جديد. بل قد ينمو النبات من خلية مفردة من نبات آخر.
وغالبًا ما يحدث التكاثر الخضري في النباتات ذات السيقان التي تمتد أفقيًا أعلى أو أسفل سطح التربة مباشرة. يرسل نبات الفراولة، على سبيل المثال، سيقانًا رفيعة تعرف بالسيقان الجارية (المدادة) تنمو على امتداد سطح التربة. وترسل السيقان الجارية عند نقاط ملامستها للأرض جذورًا تعطي نبيتات (أوراقًا، وسيقانًا جديدة). وهذه النبيتات في واقع الأمر جزء من النبات الأب، ويتكاثر بهذه الطريقة بوساطة سيقان تحت الأرض كل من السراخس، والسوسن، والعديد من أنواع الأعشاب، وبعض أنواع الشجيرات، وبعض أنواع الأشجار.
وتستطيع العديد من النباتات التي تنمو كأعشاب ضارة الانتشار سريعًا بوساطة التكاثر الخضريّ. ويصعب أحيانًا إبادة هذه النباتات، حيث تنمو أجزاؤها المفقودة مرة أخرى بالتجدد. فعلى سبيل المثال ينمو نبات الهندباء البري ويعطي سيقانًا، وأوراقًا جديدة إذا تُرك جزءٌ من جذره داخل التربة.
ويستفيد المزارعون من التكاثر الخضري في الإكثار من العديد من المحاصيل الغذائية المهمة، مثل التفاح، والموز، والبرتقال والبطاطس. حيث يقومون مثلا بتجزئة البطاطس إلى عدة أجزاء، ويراعى احتواء كل جزء على عين (برعم) على الأقل. وتتحول خلال النمو كل قطعة من البطاطس إلى نبات بطاطس جديد. ينتج التكاثر بهذه الطريقة نباتات بطاطس جديدة أسرع مما لو زرعت بذور البطاطس.
يُسْتخدم التكاثر الخضري بكثرة كذلك عند زراعة الحدائق. فالكثير من النباتات مثل الدلابيث، والسوسن، والزنبق، والتيوليب تتكاثر بوساطة الأبصال، أو الكورمات. تستغرق هذه النباتات فترة أطول لتصل إلى مرحلة الإزهار عندما تنمو من البذرة.
ومن أهم طرق التكاثر الخضري التي عرفها الإنسان منذ مئات السنين هي:
- الإفتسال: مثل غرس فسائل النخيل بعد فصلها عن النخلة الأم، أو غرس أغصان التين وكذلك يمكن غرس قطع من أوراق نبات البغونية.
- الترقيد: ردم غصن من نبات دون فصله إلى أن تنمو به الجذور العرضية ثم فصله ونقله. كما هو الحال في العنب.
- التطعيم: بتثبيت غصن نباتي على جذع شجرة من نوع قريب.
التكاثر الخضري: يتكاثر العديد من النباتات خضريا. وتعطي بعض النباتات مجموعًا خضريًا من السيقان الأرضية. ويخرج بعضها الآخر غصونًا هوائية تحمل جذورًا، وتنمو إلى نباتات جديدة. ويستخدم الناس هذه الطرق كما في التعقيل والتطعيم، والترقيد الهرمي لإنتاج نباتات ذات خصائص مرغوبة
تحميل الملف
التكاثر عند النبات